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120GHz雷达液位计,调频连续波雷达(FMCW)工作原理!

作者:超级管理员 时间:2022-10-09 浏览量:886

  调频连续波雷达的研发历史,可以追溯到1938年West Electric公司研发的FMCW雷达高度计。经过若干年的技术积累和革新,调频连续波雷达液位计应用也大放异彩,今天就让我们聊一聊调频连续波雷达(FMCW)工作原理。

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  雷达按照发射信号种类分成脉冲雷达(Pulse Radar)和连续波雷达(CW Radar) 两大类,常规脉冲雷达发射周期性的高频脉冲,连续波雷达发射的是连续波信号。

  连续波雷达发射的信号可以是单频连续波(CW)或者调频连续波(FMCW),调频方式也有多种: 常见的有三角波、锯齿波、编码调制或者噪声调频等。其中,单频连续波雷达仅可用于测速,无法测距,而FMCW雷达既可测距又可测速,并且在近距离测量上的优势日益明显。

  FMCW雷达在扫频周期内发射频率变化的连续波,被物体反射后的回波与发射信号有一定的频率差,通过测量频率差可以获得目标与雷达之间的距离信息,差频信号频率较低,一般为KHz,因此硬件处理相对简单、适合数据采集并进行数字信号处理。


  FMCW雷达收发同时,理论上不存在脉冲雷达所存在的测距盲区,并且发射信号的平均功率等于峰值功率,因此只需要小功率的器件,从而降低了被截获干扰的概率;其缺点是测距量程较短,距离多普勒耦合以及收发隔离难等缺点。

  FMCW雷达具有容易实现、结构相对简单、尺寸小、重量轻以及成本低等优点,在民用/军事领域均得到了广泛的应用。

  下图为中仪知联LR8雷达液位计的设计图:

 

  它是一款调频连续波雷达产品,其工作原理是通过比较任意时刻回波信号频率与此时刻发射信号的频率的之差方法来得到目标的距离信息,距离正比于两者的频率差。目标的径向速度和距离可由测量的二者频率差处理后得到。与其他测距测速雷达相比,调频连续波雷达的结构更简单。下面是FMCW雷达的系统框图:

  

  我们能看到它是由三部分组成,发射天线和接收天线,功分器、功率放大器和混频器组成的射频前端,调制信号发生器以及AD采样和信号处理的后端处理部分。三部分各司其职又相互协作:

  调制信号发生器提供所需要的调制信号,经VCO控制产生频率在时间上按锯齿形变化的连续高频等幅波,一部分经放大后通过发射天线辐射出去,另一部分作为本振信号。在无线电波遇到目标后返回到接收天线,这时回波信号和本振信号相比频率产生了变化,经混频器出来后就是差拍信号。差拍信号的频率和目标的距离、速度有关,信号处理的主要任务就是提取出差拍信号的频率,并通过它得到目标真实的距离和速度等信息。

  比较与脉冲体制雷达,这款雷达物位计有着以下优点:

  (1)由雷达理论可知,距离分辨力是由雷达信号的带宽决定的,FMCW雷达具有较大的带宽,因此具有较高的距离分辨力。

  (2) 由于FMCW雷达的回波信号延时远小于发射信号的时宽,所以雷达发射机和接收机可以同时工作,不存在距离盲区。

  (3) 在一定噪声功率条件下,雷达的检测能力由雷达信号的能量决定。FMCW雷达具有超大的时带积,远大于相同信号带宽和电平的脉冲雷达,所以在相同检测能力条件下,FMCW雷达发射功率低,不易被截获。

  (4) 由于FMCW雷达具有超大的时宽带宽积,所以不需要较高的峰值功率,这样它的工作电压就比较低,不需要使用高功率、高电压器件,从而使得整个系统结构简单,体积较小、重量较轻、成本较低。

  LR8雷达液位计参数

  发射频率:120GHz

  等效全向辐射功率:<10uW

  测量范围:0.01~30m

  功率消耗: <2.4W

  电源电压:DC 24V

  电源电流:70~98mA

  显示分辨率:0.1mm

  测量精度:<±0.5mm

  输出电流:4~20mA

  通讯类型:RS485、HART

  过程压力:0~25bar

  环境温度:-30℃~+70℃

  外壳材料:赛钢(POM)+不锈钢(SS)+高密度聚乙烯(HDPE);

  防护等级:  IP67

  防爆等级:Ex d IIC T6 Gb